騎行動作下肢動態(tài)壓力變化研究

駱順華， 王建萍， 史　慧， 陳　琪， 杜奕瑩， 何　慧

(1.東華大學 服裝與藝術(shù)設(shè)計學院，上海 200051；2.山東工藝美術(shù)學院 服裝學院，濟南 250300)

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研究與技術(shù)

騎行動作下肢動態(tài)壓力變化研究

駱順華1,2， 王建萍1， 史慧1， 陳琪1， 杜奕瑩1， 何慧1

(1.東華大學 服裝與藝術(shù)設(shè)計學院，上海 200051；2.山東工藝美術(shù)學院 服裝學院，濟南 250300)

合適的壓力是影響緊身運動服裝運動性能和舒適度關(guān)鍵因素。為了分析周期騎行運動過程中下肢動態(tài)壓力變化規(guī)律，創(chuàng)新性地采用Matlab三次樣條插值的方法把一個周期騎行過程中12個分解動作離散靜態(tài)壓力值轉(zhuǎn)變成動態(tài)壓力。數(shù)據(jù)分析表明：右踏板處于0°～30°位置時，8個測量點動態(tài)壓力最大；其中大腿前中、大腿后中、股內(nèi)側(cè)肌末端與股外側(cè)肌末端的動態(tài)壓力波動與對應肌肉拉伸量有很大相關(guān)性；腹部與臀部動態(tài)壓力變化幅度很??；所有位置動態(tài)壓力隨樣褲松量遞減而線性增加。研究結(jié)果為后續(xù)研究騎行褲不同部位合理松量設(shè)計提供理論基礎(chǔ)，以改善騎行褲舒適性與運動性能。

動態(tài)壓力；下肢；緊身騎行褲；三次樣條插值

服裝壓力是因服裝與人體皮膚表面相接觸而產(chǎn)生。已有研究表明緊身運動服裝壓力對處于運動狀態(tài)的人體有積極的作用，比如減少血乳酸集聚或加快血乳酸排出[1-2]、減緩肌肉酸痛或加快運動后恢復[3-4]、減輕在速跑或跳躍過程中的沖擊力[5-6]等。但是服裝壓力也不是越大就越好，不合適的壓力對運動機能有消極的作用[7-8]，而且有研究發(fā)現(xiàn)不同的運動項目和不同的人體部位要施加不同程度的壓力[9-11]。因此，緊身騎行褲準確地在人體下肢不同部位施加不同的壓力，對騎行穿著者的運動機能有重要的影響。而如何準確確定不同部位合適壓力之前，必須明確騎行過程中下肢動態(tài)壓力變化規(guī)律。基于此，本研究通過設(shè)計實驗方案，并結(jié)合實驗數(shù)據(jù)分析了騎行過程中下肢各部位的動態(tài)壓力變化規(guī)律。

1　實　驗

1.1對象

10位年輕騎行愛好者自愿參于本實驗，人體部位測量均值如表1所示。實驗前確保自愿者無外傷或肌肉疼痛。

表1　10名實驗對象人體尺寸均值及標準差Tab.1　Average value and standard deviation of body dimensions of ten subjects

注：BMI(Body Mass Index)。

1.2樣褲

緊身騎行褲樣褲(圖1)采用82%錦綸與18%氨

綸的緯編彈性針織面料縫制而成，面料平方米質(zhì)量為191 g/m2，厚度0.61 mm，在彈性回復率大于95%時，經(jīng)、緯向最大伸長率分別為80%、60%，款式相同。樣褲基礎(chǔ)紙樣在國家標準中間號型人臺上用立體裁剪方式獲取。為了研究松量與動態(tài)壓力之間的關(guān)系，設(shè)計并制作6條不同松緊程度的樣褲(圍度從大到小編號分別為C1，C2，…，C6)，基礎(chǔ)紙樣在樣褲不同部位設(shè)定不同負松量(表2)。樣褲腰部與褲口分別用4 cm與2.5 cm寬的防滑松緊帶縫制，如圖1右側(cè)所示。

圖1　實驗樣褲Fig.1　The experimental sample shorts表2　6條樣褲松量Tab.2　Easy allowances of six sample shorts

部位圍度/cm人臺C1C2C3C4C5C6腰圍80.5-6-12-18-24-30-36臀圍95-6-12-18-24-30-36檔根圍57-3-6-9-12-15-18大腿中圍53-3-6-9-12-15-18褲腳口圍35.5-3-6-9-12-15-18褲長55.4-1-2-3-4-5-6

1.3壓力測量點選擇

因為腹肌、臀大肌、股直肌、股二頭肌、股內(nèi)側(cè)肌與股外側(cè)肌是騎行運動中活躍肌肉，這些肌肉對于腿部發(fā)力很重要[12]。另外，皮膚表面曲率對壓力的影響也很大[13]。綜合考慮肌肉活動與體表曲率，選擇了8個壓力測量點，分別是腹凸點A1、臀凸點H1、大腿前中L1、大腿內(nèi)側(cè)中L2、大腿外側(cè)中L3、大腿后中L4、股內(nèi)側(cè)肌L5和股外側(cè)肌L6，如圖2所示。圖2來源于http://www.nipic.com/design/5/23/1.html。

圖2　壓力測量點Fig.2　Pressure measurement points

1.4騎行模擬

因為騎行是周期循環(huán)運動，所以可以采用原地騎行方式模擬實際平地騎行姿勢(圖3)。自行車后軸由U形支架支撐，支架的寬度要和后軸寬度匹配，支架高度與后輪直徑匹配，這樣可以使后輪離開地面原地蹬踏。依據(jù)騎行運動特征設(shè)計一個角度圓盤并固定在中軸上。圓盤角度分為12份，每份30°，一個周期連續(xù)騎行運動分解為12個動作。考慮到左右腿動作一致，大多數(shù)人以右腿發(fā)力，實驗壓力測量選擇右腿為測試對象，以右踏板角度確定位置騎行姿勢。

圖3　騎行模擬Fig.3　Cycling simulation

1.5三次樣條插值

樣條是指工程設(shè)計中使用的木條或金屬條繪圖工具，應用其將已知點連接成一條光滑曲線稱為樣條曲線，并使連接點處有連續(xù)曲率，三次樣條插值是指連接點之間的函數(shù)為三次多項式。其定義如下[14]：已知函數(shù)f(x)在區(qū)間[0°,360°]上的13個節(jié)點x1

1.6骨骼肌仿真

功能性服裝人體功能分區(qū)需要考慮生物力學要求及人體工效要求?；谶@個要求，需要采用人體模型與仿真系統(tǒng)仿真騎行運動中骨骼肌活動規(guī)律[15]。人體建模仿真系統(tǒng)是建立計算模型模擬人體在給定的約束下自然真實的騎行運動，通過對真實人體騎行動作的三維運動軌跡捕捉數(shù)據(jù)的量化分析，找到與騎行運動相關(guān)的下肢特征參數(shù)及騎行運動下肢骨骼肌的運動規(guī)律[16]。前期騎行動作捕捉實驗已經(jīng)獲取人體在給定約束下自然真實騎行運動軌跡捕捉數(shù)據(jù)及下肢骨骼肌運動規(guī)律[17]，本研究中選擇了4塊最活躍的肌肉(股直肌、股二頭肌、股外側(cè)肌和股內(nèi)側(cè)肌)，人體建模仿真系統(tǒng)模擬計算出肌肉拉伸、肌肉激活程度與肌肉力。其中肌肉拉伸數(shù)據(jù)計算結(jié)果如圖4所示。

圖4　騎行運動中腿部肌肉拉伸變化Fig.4　Leg muscle stretching in cycling process

1.7壓力實驗步驟

壓力測量儀為氣囊式接觸壓力測量系統(tǒng)(AMI3037)。具體實驗步驟如下：實驗開始之前，校準壓力測量儀；根據(jù)身高與腿長調(diào)整鞍座使騎行姿勢符合標準要求；為了適應測試程序，每一個測試對象要求蹬踏3 min熱身；氣囊式傳感器被準確、牢固地粘貼在各壓力測量點上，并記錄標準站立姿勢下8個點空測數(shù)據(jù)，以校準測試儀器是否在誤差范圍內(nèi)；因限于該儀器僅可測量靜態(tài)壓力，將一個周期騎行運動平均分解成12個動作；采用氣囊式壓力測量儀測量穿著樣褲后標準站立姿勢下靜態(tài)壓力與12個分解動作的壓力；在12個動作靜態(tài)壓力數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上再采用Matlab的三次樣條插值函數(shù)轉(zhuǎn)化為連續(xù)騎行運動的動態(tài)壓力。

2　壓力變化分析

2.1靜態(tài)壓力與動態(tài)壓力對比分析

分別計算8個壓力測量點中10名測試對象6條樣褲的壓力數(shù)據(jù)平均值，如圖5所示。8個測量點從站立姿勢到騎行姿勢過程中，除了大腿內(nèi)側(cè)中(L2)，壓力值增加都非常大。6個測量點(L1、L2除外)的站立姿勢靜態(tài)壓力值都是小于動態(tài)壓力值。其中腹凸點(A1)與臀凸點(H1)的動態(tài)壓力比站立姿勢靜態(tài)壓力要大0.5 kPa左右，原因在于騎行姿勢下腹部氣囊傳感器被壓迫得更緊，與靜態(tài)站立不同，在騎行狀態(tài)下上半身是向前傾斜，腹部因為重力作用下垂壓迫氣囊傳感器；而從標準站立姿勢到騎行姿勢，臀部的皮膚拉伸形變達到最大，臀凸點(H1)的曲率也變化很大，所以標準站立姿勢下壓力與騎行姿勢下壓力差值較大。

實驗中10名測試對象的8個壓力測量點中測得最大壓力數(shù)據(jù)為1.74 kPa。在較低壓力下(少于4.65 kPa)，外加壓力加快下肢皮膚血流速度，在此壓力范圍內(nèi)，樣褲越緊，下肢血液循環(huán)越好[8]。根據(jù)壓力測試結(jié)果，目前市場上騎行褲松量僅相當于這次實驗的樣褲C3或C4，因此市場上騎行褲壓力分布還可以進一步適當減小。

2.28個測量點動態(tài)壓力變化

如圖5所示，所有8個點的最大動態(tài)壓力是右踏板位置在0°～30°，最小動態(tài)壓力右踏板位于150°～180°的騎行姿勢。A1點動態(tài)壓力變化像起伏很小的波浪，經(jīng)分析與腹部呼吸時起伏有很大的關(guān)系，Mitsuno[2]也得出類似的結(jié)論。根據(jù)實驗結(jié)果可以推斷出，實際騎行過程中由于呼吸更急促腹部起伏更大，壓力波動應該更大。H1點動態(tài)壓力變化幅度也很小，因為臀部的動作幅度很小，雖然大腿不停做循環(huán)騎行運動，但臀部僅僅髖關(guān)節(jié)做小幅度軸向運動。

圖5　8個壓力測量點壓力變化Fig.5　Pressure change of 8 pressure measurement points

根據(jù)8個壓力測量點的動態(tài)壓力方差值可知，L1、L5和L6動態(tài)壓力波動相對劇烈，這三個點的股直肌、股內(nèi)側(cè)肌與股外側(cè)肌活動是最活躍的(圖4)。L4動態(tài)壓力波動比較小，因為股二頭肌的肌肉活動小(圖4)。這個結(jié)論表明，在后續(xù)的騎行褲結(jié)構(gòu)設(shè)計研究中，L1、L5和L6是利用合適壓力控制肌肉活動以提高騎行褲運動性能設(shè)計的關(guān)鍵部位。

L1、L2、L3、L4的動態(tài)壓力變化趨勢幾乎一致，因為這四個壓力測量點的位置在大腿同一水平線位置。與L1相比，L2點動態(tài)壓力波動減小了大約50%，這個結(jié)果與樣褲穿著時內(nèi)側(cè)縫位置與大腿之間實際狀態(tài)有關(guān)，騎行姿勢下騎行褲側(cè)縫因為襠部的拉力被拉向檔點，樣褲與大腿內(nèi)側(cè)中就不夠緊貼，氣囊傳感器對動作的變化就不敏感，所以測量出來的壓力值偏??；L3點動態(tài)壓力的波動相對要小。該結(jié)果由以下兩個因素引起，首先大腿外側(cè)中的股外側(cè)肌活動不顯著，此外，大腿外側(cè)的皮膚形變比大腿前中要小。

總結(jié)以上分析，在臀凸點(H1)和腹凸點(A1)主要影響因素是曲率與皮膚形變；對于大腿前中(L1)、大腿后中(L4)、股內(nèi)側(cè)肌末端(L5)和股外側(cè)肌末端(L6)動態(tài)壓力與肌肉活動有很大相關(guān)性(P<0.01)；而大腿內(nèi)側(cè)中(L2)和大腿外側(cè)中(L3)與肌肉活動幾乎沒有關(guān)聯(lián)性。

2.3松量與動態(tài)壓力關(guān)系

6條樣褲動態(tài)壓力隨著松量遞減而增大(圖6)，對6條樣褲動態(tài)壓力與樣褲松量的線性擬合分析，8個壓力測量點A1、H1、L1、L2、L3、L4、L5和L6的相關(guān)系數(shù)為0.93、0.98、0.99、1、0.98、1、1和0.99(P<0.05)。表明動態(tài)壓力變化與松量變化是線性的，同時也側(cè)面反映針織高彈性面料在有效伸長率范圍內(nèi)，面料伸長量與壓力變化為線性相關(guān)性，為后續(xù)騎行褲紙樣設(shè)計確定了數(shù)學模型。

圖6　6條不同松量樣褲平均動態(tài)壓力變化Fig.6　Average dynamic pressure change of six sample shorts with different ease allowance

3　結(jié)　論

本研究創(chuàng)新地采用Matlab三次樣條插值函數(shù)，把12個連續(xù)分解動作靜態(tài)壓力值轉(zhuǎn)換為周期動態(tài)壓力值，首次定性表征了騎行運動下肢8個壓力測量點的動態(tài)壓力變化規(guī)律，得出了以下結(jié)論。

1)所有8個點的最大動態(tài)壓力位于騎行的0°～30°姿勢，最大動態(tài)壓力比標準站立姿勢下的壓力要大很多，因此研究連續(xù)騎行運動動態(tài)壓力非常必要。8個壓力測量點中，6條樣褲平均動態(tài)壓力隨松量線性減小而線性增大，人體不同部位的動態(tài)壓力受不同因素影響。

2)對于目前市場騎行褲，壓力在舒適和安全范圍內(nèi)，可以繼續(xù)減小松量。但是后續(xù)各分區(qū)最合適壓力研究中，確定最合適的松量需要結(jié)合壓力對運動性能的作用進一步研究。

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Research on dynamic pressure variation of lower limbs during cycling

LUO Shunhua1, 2, WANG Jianping1, SHI Hui1, CHEN Qi1, DU Yiying1, HE Hui1

(1. Fashion·Art Design Institute, Donghua University, Shanghai 200051, China; 2. School of Fashion Design, Shandong University of Art and Design, Ji’nan 250300, China)

The appropriate pressure is a key factor which influences athletic performance and comfort of close-fitting sportswear. To qualitatively analyze dynamic pressure change rule of lower limbs in the process of cycling, Matlab cubic spline interpolation method was originally introduced to transform static pressures of twelve consecutive cycling postures into dynamic pressure in cycling process. Data analysis shows the following conclusions. Maximum dynamic pressure at eight points is produced when pedal is at 0°～30°. Dynamic pressure fluctuation at four points (middle rectus femoris, middle biceps femoris, distal vastus medialis, and distal vastus lateralis) is significantly related to muscle activation. Dynamic pressure change range at convex point of hip and abdomen is small. Dynamic pressure at all positions linearly rises when ease allowance gradually reduces. The findings are helpful to propose reasonable ease allowance at different parts of close-fitting cycling shorts and to improve pressure comfort and motion performance.

dynamic press; lower limbs; close-fitting cycling shorts; cubic spline interpolation

10.3969/j.issn.1001-7003.2016.07.008

2016-01-29;

2016-06-01

上海市大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目(15T10710)

TS941.17

A

1001-7003(2016)07-0038-05引用頁碼: 071108